Contents
  1. 1. 超声成像的步骤
  2. 2. B超
  3. 3. 多普勒效应测量血流速度
  4. 4. 彩超:彩色多普勒(CW)
  5. 5. 脉冲多普勒(PW)

我总结一下医学超声成像的原理

超声成像的步骤

超声波成像需要三个步骤:发射声波,接受反射声波,以及信号分析处理得到图像。

超声波探头是通过压电陶瓷换能器发射超声波,不同的探头能够发射的声波频率不同。医学超声波频率一般是2-13MHz,声波频率越高,衍射越弱,成像分别率越高;但与此同时,频率越高,声波衰减也越快,穿透深度就小。因此,我们在探测心脏的时候,只能用频率较低的声波,否则探测的深度不够,虽然成像效果差一些;而在探测颈动脉、股动脉等表皮下方的血管时,就用频率高的声波,成像好清晰许多。实验中,我们采用的心脏探头为2-4MHz,血管探头为10MHz。

接收反射波的依旧是同一个超声波探头,压电陶瓷换能器将声波信号转换成电信号,之后电脑上的系统进行信号处理成像。

超声探头,从做到右依次是:心脏探头、血管探头、腹部探头

B超

B型超声波显示的是探头面向的组织切面的二维灰度图。我们知道确定二维灰度图上的每个点需要3个信息,横坐标、纵坐标和灰度。这些是怎么得到的呢?由于超声波在人体内接触到组织会反射,不同的组织声阻抗不同,根据接收到的回波反射率计算得到声阻抗,对应于图上的灰度(如血管壁的组织声阻抗差不多,在图像上的灰度就差不多,就能看出来是血管的形状)。假设探头是一维的,那么探头上每一个探针的位置就对应一个横坐标。纵坐标是由发射和接收声波的时间差决定的,假设声波在人体中传播速度相同,那么时间越长表示反射组织的位置越深。最后由得到的灰度图,可以看到组织轮廓,并可以进行测量,如血管直径,面积等等。

当然,具体的成像过程远远比这个复杂,因为B超是实时的,如何区分发射波、反射波、如何去除噪音,放大信号,信号处理非常复杂,我也不清楚。但以上简单的描述,已经足够我们大致了解成像的过程。

我的心脏超声成像,阴影部分为左心室,通过描迹测量左心室容积,最上方为心尖

多普勒效应测量血流速度

多普勒效应我们中学物理都学过,无论是发射者还是接收者相对声波传播介质运动,都会引起观察到的声波频率的变化。

截图自维基百科:多普勒效应

利用多普勒效应测量血流速度如下图,探头发射声波的方向和血流方向的夹角为 \theta,发射声波频率为 f_0,反射声波频率为 f’,多普勒频率也就是频移为f_D,声波在人体组织中传播速度为c,血流速度为v

图来自可汗学院

则由多普勒频率可以计算得到血流速度,公式如下

血流速度公式

它的推导过程主要就是套两次多普勒效应公式,发射时认为接收者(血液)相对声波介质(人体组织)运动,而回收时认为发射者(血液反射声波)相对介质运动。然后相加项近似两个频率不变得到分母的2f_0。

彩超:彩色多普勒(CW)

之前做彩超检查子宫,我就问给我检查的护士姐姐啥是彩色超声波,因为我发现无论是检查结果还是他们的显示屏都是黑乎乎的,完全不知道彩色在哪里。

这是我妇科检查结果,彩色多普勒图像

彩超相比于B超,通过多普勒效应测量血流的速度,并在图像中通过着色来表出来。所以这个彩色并不是直接反应人体组织颜色的,颇令人失望。一般来讲,图像中红色表示血流方向是迎面而来,而蓝色表示血流方向是离你而去。同时,颜色越深表示血流速度越快。

脉冲多普勒(PW)

脉冲多普勒的原理不太懂,网上查了一下彩色多普勒和脉冲多普勒的区别,大概是方法不太一样,也有各自的优缺点。实验时,我们通过脉冲多普勒得到血流速度的频谱,也就是血路速度随时间的变化图(波形图),不是人体组织的成像图。通过测量两个血流速度脉冲之间的水平距离(时间差),就可以计算得到心率,如果在彩色多普勒图像(B型超声图像也行)测量血管的直径,进而计算出血管的面积,再乘以血流速度的波形图一个周期内曲线下方的面积(积分),就可以得到血流量(一分钟内流过的血流体积)

下图就是我的颈动脉彩色多普勒成像(上部分),和脉冲多普勒成像(下部分),并且测量了血流速度的峰值、心率(2倍心率)、血管直径和血流量(VolFlow)等信息

我的颈动脉血流速度、血流量的测量

总结起来,医学超声仪器的物理原理:用压电换能器发射和接收超声波,通过反射率、接收时间、探针位置得到组织轮廓成像,通过多普勒效应测量血流速度。B超成像是二维的灰度图,反应组织轮廓,彩超是二维灰度图上加了血流速度的信息,脉冲多普勒得到的是血流速度随时间的变化波形。

想起来一个有趣的地方,用脉冲多普勒的时候,仪器会发出跳动的声音,无论是测量血管还是心脏。我不知道这个声音,是我心跳或者血流脉冲声音的放大,还是仪器自带的声音,配合我心跳的跳动而播放。


一些自问自答

1.血流速度怎么测量:多普勒效应

2.血流量怎么得到:血管面积乘以血流速度的积分

3.心率怎么得到:脉冲多普勒中,两次血流量最大值的之间间隔为周期

4.心脏容积怎么得到:描迹自动求面积

5.血管面积怎么得到:描迹或者测量血管半径

6.心功能怎么得到:心收缩和心舒张的左心室心脏容量的比值

7.彩色多普勒和脉冲多普勒的区别:一个是二维成像图、一个是频谱

参考资料:

1.维基百科:医学超声检查


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实验结果

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  1. 1. 超声成像的步骤
  2. 2. B超
  3. 3. 多普勒效应测量血流速度
  4. 4. 彩超:彩色多普勒(CW)
  5. 5. 脉冲多普勒(PW)